基于 LoRa 的智慧水務(wù)系統(tǒng)

0 引 言

國家“十三五”規(guī)劃綱要提出，以基礎(chǔ)設(shè)施智能化、公共服務(wù)便利化、社會治理精細(xì)化為重點(diǎn)，充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)，建設(shè)新型智慧城市。而“發(fā)展智能水務(wù)，構(gòu)建覆蓋供水全過程、保障供水質(zhì)量安全的智能供排水和污水處理系統(tǒng)”是實(shí)現(xiàn)智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化的一個(gè)重要舉措，對于如何將海量水務(wù)信息進(jìn)行及時(shí)分析與處理，并做出相應(yīng)的處理結(jié)果輔助決策建議，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的整個(gè)生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，從而達(dá)到“智 慧”的狀態(tài)是目前比較熱門的研究課題。采用基于全球低功耗廣域網(wǎng)（LoRa Wide Area Network，LoRaWAN）技術(shù)的智慧水務(wù)系統(tǒng)可通過數(shù)采儀、無線網(wǎng)絡(luò)、水質(zhì)水壓表等在線監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)感知城市供排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并采用可視化的方式有機(jī)整合水務(wù)管理部門與供排水設(shè)施，形成“城市水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)”，從而滿足智慧城市設(shè)施智能化、治理精細(xì)化的訴求。

1 LoRa 智慧水務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

傳統(tǒng)的水務(wù)信息（流量、水壓、水質(zhì)、水位等參數(shù)）均依靠人工采集，工作難度大且效率較低。雖然近年來云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展給水務(wù)行業(yè)的應(yīng)用和管理模式帶來了較大變革，但是采集數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、各模塊之間的數(shù)據(jù)未形成互聯(lián)互通，且未實(shí)現(xiàn)資源共享，信息孤島嚴(yán)重仍是目前智慧水務(wù)系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。本文所述智慧水務(wù)系統(tǒng)采用 LoRa 技術(shù)，利用 LoRa 窄帶物聯(lián)網(wǎng)智能終端實(shí)現(xiàn)對流量、水壓、水質(zhì)、水位甚至溫度等數(shù)據(jù)的精細(xì)收集，并將這些采集到的海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)平臺進(jìn)行分析處理，輔助管理系統(tǒng)做出決策，以達(dá)到水務(wù)供排治一體管控、消防水實(shí)時(shí)監(jiān)測與循環(huán)利用、雨水高效收集回用、分散式污水治理等目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)過程可感知，效果可量化，運(yùn)行智慧化的“智慧”狀態(tài)。

LoRa 是低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)中的一種，其優(yōu)勢在于技術(shù)方面的長距離能力，具備高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗，支持大規(guī)模組網(wǎng)等突出特點(diǎn)，非常適合智慧水務(wù)中某些對環(huán)境條件比較嚴(yán)苛的場景，如海域水務(wù)信息的監(jiān)測等。另外，LoRa工作在1 GHz以下的非授權(quán)頻段，應(yīng)用時(shí)無需額外付費(fèi)，成本低，不受電信運(yùn)營商的制約，可隨時(shí)隨地組網(wǎng)。

2 基于 LoRa 技術(shù)的智慧水務(wù)系統(tǒng)

基于 LoRa 技術(shù)的智慧水務(wù)系統(tǒng)運(yùn)用 LoRa 高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗、支撐大規(guī)模組網(wǎng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對水務(wù)信息如流量、水壓、水質(zhì)、水位等參數(shù)的采集，將采集到的海量水務(wù)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息進(jìn)行及時(shí)分析、處理，實(shí)現(xiàn)科學(xué)性的動態(tài)管理，從而提升水務(wù)運(yùn)營的管理效率與服務(wù)水平。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于 LoRa 技術(shù)的智慧水務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示，主要包含感知層、傳輸層、平臺層及應(yīng)用層。

感知層集成了 LoRa 模組的傳感器裝置，用以采集流量、水壓、水質(zhì)、水位等水務(wù)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，通過 LoRa 模組與無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

傳輸層采用先進(jìn)的 LoRaWAN 廣域通信技術(shù)，利用其處理干擾、網(wǎng)絡(luò)重疊、可伸縮性的優(yōu)勢保障數(shù)據(jù)的高可靠性。

平臺層擁有豐富的協(xié)議適配能力，支持海量終端設(shè)備接入，基于統(tǒng)一規(guī)約和接口，實(shí)現(xiàn)不同類型終端設(shè)備及不同應(yīng)用平臺統(tǒng)一接入和管理，確?；ヂ?lián)互通。

應(yīng)用層是在服務(wù)器上運(yùn)行的水務(wù)管理平臺，管理員可在PC 終端、手機(jī) APP 等通過 Internet 經(jīng)身份驗(yàn)證后進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和控制。

2.2 LoRaWAN 基站

LoRaWAN 基站專為快速部署低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）而設(shè)計(jì)，具備易用耐用、性能可靠穩(wěn)定、擴(kuò)展性好、性能指標(biāo)優(yōu)異的特點(diǎn)，同時(shí)具備實(shí)時(shí) WebSocket 和 OpenAPI RESTFul 兩種接入方式。

任何符合 LoRaWAN 標(biāo)準(zhǔn)的通信終端都可輕松接入LoRaWAN 基站網(wǎng)關(guān)，并可通過自帶的多業(yè)務(wù)平臺，在云端對 LoRaWAN 基站和終端進(jìn)行輕松配置和管理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維界面和終端性能的可視化分析，結(jié)合高品質(zhì) LoRaWAN 基站網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營級 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性能、品質(zhì)服務(wù)和可靠運(yùn)行。

LoRaWAN 基站將采集到的海量水務(wù)信息數(shù)據(jù)通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)傳送至智慧水務(wù)管理平臺，由管理平臺進(jìn)行相應(yīng)的處理和操作。

2.3 LoRa 網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的通信基礎(chǔ)，本文系統(tǒng)基于 LoRa 網(wǎng)絡(luò)承載，具有高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗的特點(diǎn)，與其他 NBIoT 技術(shù)相比，LoRa 網(wǎng)絡(luò)基于非授權(quán)頻譜組建網(wǎng)絡(luò)，頻段在1 GHz 以下，傳輸距離長，成本低。

LoRa 具備以下幾大特點(diǎn)，能滿足智慧水務(wù)系統(tǒng)的需求。

（1）傳輸距離長 ：LoRa 工作在 1 GHz 以下的非授權(quán)頻段，處于 500 MHz 和 1 GHz 之間的頻段對于遠(yuǎn)距離通信是最優(yōu)選擇，可滿足廣闊海域的覆蓋要求。

（2）低成本 ：LoRaWAN 使用免費(fèi)的非授權(quán)頻段，并且是異步通信協(xié)議，電池壽命長，無需對頻譜進(jìn)行額外付費(fèi)，成本低。

（3）海量連接 ：LoRaWAN 接入的核心算法是 ALOHA協(xié)議，支持海量接入。

2.4 平臺層

平臺層提供連接管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、消息處理、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)能力開放等基礎(chǔ)功能，支持多種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備快速接入及各行業(yè)應(yīng)用的快速集成，支撐客戶聚焦應(yīng)用和業(yè)務(wù)創(chuàng)新，平臺提供感知層連接、診斷、控制等連接狀態(tài)的查詢及管理功能。平臺層使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議與應(yīng)用層連接，兼容不同設(shè)備與連接協(xié)議的差異性，提供靈活高效的數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)采集、清洗、分類、結(jié)構(gòu)化存儲，大數(shù)據(jù)分析等，輔助做好決策。應(yīng)用層采用業(yè)務(wù)模塊化設(shè)計(jì)，不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靈活的布排，滿足行業(yè)應(yīng)用的快速開發(fā)需求。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)如圖 2 所示。

2.5 智慧水務(wù)管理平臺

智慧水務(wù)平臺通過平臺層及 LoRa 網(wǎng)絡(luò)與感知設(shè)備建立連接，實(shí)現(xiàn)水務(wù)信息（如流量、水壓、水質(zhì)、水位等信息）的采集、傳輸、處理及控制。智慧水務(wù)管理平臺可在 GIS 地圖上標(biāo)示每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的狀態(tài)、功耗情況等信息，同時(shí)建立運(yùn)行日志數(shù)據(jù)庫，可永久保存數(shù)據(jù)。管理平臺可對感知設(shè)備出現(xiàn)的故障及時(shí)提示、告警，并及時(shí)通知維護(hù)人員進(jìn)行處置。另外，管理平臺也可遠(yuǎn)程對 LoRa 模組進(jìn)行軟件升級更新。

3 應(yīng)用案例

珠海橫琴島為建設(shè)智慧城市，在橫琴島海岸線、橫琴望天臺水庫、上牛角水庫和紅旗村水庫、內(nèi)河等區(qū)域設(shè)置漂浮式自動監(jiān)測站。自動監(jiān)測站集成了基于 LoRa 模組的傳感器，監(jiān)測并采集水源流量、水壓、水質(zhì)、水位等信息。由于本文系統(tǒng)采用了 LoRa 網(wǎng)絡(luò)，其接收靈敏度為 -142 dBm，比傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)提高超 20 dB 的覆蓋增益，信號穿透力強(qiáng)，傳輸距離長，滿足廣闊海域的覆蓋要求。珠海橫琴島水源監(jiān)控點(diǎn)位如圖 3 所示。

本文系統(tǒng)通過 LoRa 網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)將采集到的海量水務(wù)信息傳送至云平臺，通過管理平臺對采集到的海量水務(wù)信息進(jìn)行分析處理，并與其他管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)“取水制水”“供給水”“輸配水”“雨水收集利用”“污水處理與利用”“消防智慧監(jiān)控”“海綿城市防澇建設(shè)”等靈活調(diào)度，實(shí)現(xiàn)水資源的高效循環(huán)和利用。系統(tǒng)管理平臺以云服務(wù)為主架構(gòu)，搭配可擴(kuò)充性的軟件應(yīng)用，使管理者通過電腦、手機(jī)即可隨時(shí)隨地進(jìn)行狀態(tài)查詢和監(jiān)測。同時(shí)，系統(tǒng)采用可視化管理和預(yù)測性維護(hù)，可有效降低運(yùn)維成本。智慧水務(wù)管理平臺如圖 4 所示。

基于 LoRa 的智慧水務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對水務(wù)運(yùn)行環(huán)境與狀態(tài)的精細(xì)管理和實(shí)時(shí)感知，打造園區(qū)供排治“一張圖”，構(gòu)建園區(qū)全息化感知“智慧水聯(lián)網(wǎng)”，為園區(qū)給排水運(yùn)行安全提供保障，提高給水、排水運(yùn)行效率，為防范漏損和爆管風(fēng)險(xiǎn)等提供多種支撐。

4 結(jié) 語

本文基于 LoRa 技術(shù)的智慧水務(wù)系統(tǒng)，利用運(yùn)營商傳輸網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云平臺及應(yīng)用場景豐富的管理平臺，實(shí)現(xiàn)了海量水務(wù)信息的采集與處理，符合物聯(lián)網(wǎng)智能、互聯(lián)的需求。將 LoRa 技術(shù)應(yīng)用于水務(wù)系統(tǒng)的智能化管理能夠?qū)崿F(xiàn)城市及市政服務(wù)能力的提升，是智慧城市的重要組成部分。